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TCP – Von Anfang bis Ende

Verbindungsaufbau · Datentransfer · Verbindungsabbau · Hintergrundwissen · Übungen

Netzwerke · Klasse 10 · Gymnasium

🎯 Worum geht's? Klasse 8–11 · 2 Unterrichtsstunden

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eine vollständige TCP-Verbindung beschreiben: Aufbau, Datentransfer, Abbau
Sequenz- und Bestätigungsnummern beim Datentransfer verfolgen
den Verbindungsabbau mit vier Schritten und TIME_WAIT erklären

Vorwissen: TCP-Handshake

📊 Sequenzdiagramm

💻

Client

Browser

🖥️

Server

Web-Server

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📍 Phasen

🤝

Verbindungsaufbau Three-Way Handshake

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📦

Datentransfer HTTP Request / Response

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👋

Verbindungsabbau Four-Way Handshake

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📋 Protokoll

Paket	Flags	SEQ / ACK	Daten

🎮 Steuerung

🐢 🐇 1.5 s

🤝 Verbindungsaufbau

Der Three-Way Handshake (SYN → SYN-ACK → ACK) stellt sicher, dass beide Seiten bereit sind und ihre Sequenznummern ausgetauscht haben.

📦 Datentransfer

Jedes Datenpaket wird mit einer Sequenznummer versehen. Der Empfänger bestätigt mit ACK. Fehlen Pakete, werden sie wiederholt.

👋 Verbindungsabbau

Der Four-Way Handshake (FIN → ACK → FIN → ACK) erlaubt beiden Seiten unabhängig voneinander zu signalisieren, dass sie fertig sind.

⏳ TIME_WAIT

Nach dem letzten ACK wartet der Client im Zustand TIME_WAIT, bevor er vollständig schließt – um verspätete Pakete noch verarbeiten zu können.

📝 Aufgaben

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📑 Inhalt

📡 Was ist TCP?

🗂️ TCP-Header

🚩 Flags erklärt

🔄 Zustände

🤝 Handshake-Detail

⚖️ TCP vs. UDP

📜 Geschichte

🌍 Anwendungen

📡 Was ist TCP?

TCP steht für Transmission Control Protocol und ist eines der wichtigsten Protokolle des Internets. Es gehört zur Transportschicht (Schicht 4) des OSI-Modells und stellt sicher, dass Daten zuverlässig, vollständig und in der richtigen Reihenfolge übertragen werden.

TCP ist ein verbindungsorientiertes Protokoll: Bevor Daten übertragen werden, wird eine logische Verbindung zwischen Sender und Empfänger aufgebaut. Diese Verbindung wird nach der Übertragung wieder geordnet abgebaut.

💡 Merksatz: TCP ist wie ein Telefonat – erst wird eine Verbindung aufgebaut, dann wird gesprochen, dann wird aufgelegt. Jedes Wort wird bestätigt.

TCP arbeitet über IP (Internet Protocol) und bildet zusammen mit diesem das Fundament des Internets – oft als TCP/IP-Suite bezeichnet.

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Zuverlässigkeit

Jedes Paket wird bestätigt. Verlorene Pakete werden wiederholt.

🔢

Reihenfolge

Sequenznummern garantieren die richtige Reihenfolge der Daten.

🚦

Flusskontrolle

Window-Size verhindert Überlastung des Empfängers.

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Staukontrolle

TCP erkennt Netzüberlastung und drosselt die Senderate.

🗂️ Der TCP-Header

Jedes TCP-Paket (Segment) enthält einen Header mit mindestens 20 Bytes. Der Header enthält alle Steuerinformationen, die TCP benötigt, um die Verbindung zuverlässig zu verwalten.

Source Port

Bits 0–15 · 16 Bit

Port des Senders (z. B. 54231 beim Browser)

Destination Port

Bits 16–31 · 16 Bit

Port des Empfängers (z. B. 80 für HTTP, 443 für HTTPS)

Sequence Number

Bits 32–63 · 32 Bit

Positionsnummer des ersten Datenbytes in diesem Segment

Acknowledgment Nr.

Bits 64–95 · 32 Bit

Nächste erwartete Sequenznummer vom Sender

Data Offset

Bits 96–99 · 4 Bit

Länge des Headers in 32-Bit-Wörtern (min. 5 = 20 Bytes)

Flags (Control Bits)

Bits 100–111 · 9 Bit

SYN, ACK, FIN, RST, PSH, URG, ECE, CWR, NS

Window Size

Bits 112–127 · 16 Bit

Empfangspuffergröße – Flusskontrolle

Checksum

Bits 128–143 · 16 Bit

Prüfsumme zur Fehlererkennung im Header und Daten

Urgent Pointer

Bits 144–159 · 16 Bit

Nur relevant, wenn URG-Flag gesetzt

Options (variabel)

Bits 160+ · 0–320 Bit

z. B. Maximum Segment Size (MSS), Timestamps

🔢 Ports: Bekannte Ports: HTTP=80, HTTPS=443, FTP=21, SSH=22, DNS=53, SMTP=25

🚩 TCP-Flags erklärt

TCP-Flags sind einzelne Bits im Header, die den Typ und Zweck eines Pakets bestimmen. Sie können kombiniert werden (z. B. SYN+ACK).

Flag	Name	Bedeutung	Verwendet bei
SYN	Synchronize	Verbindungsaufbau initiieren, ISN austauschen	Handshake (Schritt 1 & 2)
ACK	Acknowledge	Empfang bestätigen. ACK-Nr. = SEQ + 1	Fast alle Pakete nach dem 1. SYN
FIN	Finish	Sender hat keine Daten mehr → Verbindung beenden	Verbindungsabbau (4-Way)
RST	Reset	Verbindung sofort abbrechen (Fehler oder Ablehnung)	Fehlerbehandlung
PSH	Push	Daten sofort an Anwendung weitergeben, nicht puffern	Interaktive Übertragungen
URG	Urgent	Daten sind dringend, sollen vorrangig verarbeitet werden	Selten (z. B. Telnet-Unterbrechung)
ECE	ECN-Echo	Netzüberlastung rückmelden (Explicit Congestion Notification)	Staukontrolle
CWR	Congestion Window Reduced	Bestätigung: Senderate wurde gedrosselt	Staukontrolle

🔄 TCP-Zustände (State Machine)

Eine TCP-Verbindung durchläuft verschiedene Zustände. Jede Seite (Client und Server) verwaltet ihren eigenen Zustand unabhängig.

CLOSED

Keine Verbindung. Anfangszustand.

LISTEN

Server wartet auf eingehende Verbindungen.

SYN_SENT

Client hat SYN gesendet, wartet auf SYN-ACK.

SYN_RECEIVED

Server hat SYN empfangen und SYN-ACK gesendet.

ESTABLISHED

Verbindung aktiv. Datentransfer möglich.

FIN_WAIT_1

Client hat FIN gesendet, wartet auf ACK.

FIN_WAIT_2

ACK erhalten, wartet auf FIN des Servers.

CLOSE_WAIT

Server hat FIN empfangen. Kann noch Daten senden.

LAST_ACK

Server hat FIN gesendet, wartet auf letztes ACK.

TIME_WAIT

Wartet 2×MSL (ca. 60–120 s) auf verspätete Pakete.

CLOSING

Beide senden gleichzeitig FIN (selten).

💡 TIME_WAIT schützt vor dem seltenen Fall, dass das letzte ACK verloren geht und der Server erneut FIN sendet. MSL = Maximum Segment Lifetime.

🤝 Der Handshake im Detail

Der Three-Way Handshake dient drei Zwecken gleichzeitig: Verbindung ankündigen, Sequenznummern synchronisieren und Empfangsbereitschaft bestätigen.

Warum zufällige Sequenznummern (ISN)?
Zufällige Initial Sequence Numbers verhindern, dass alte Pakete aus früheren Verbindungen fälschlicherweise akzeptiert werden – eine wichtige Sicherheitsmaßnahme.

Der Four-Way Handshake beim Abbau ist nötig, weil TCP halbduplex-fähig ist: Jede Seite muss ihren Sendeschluss unabhängig ankündigen. Nach dem FIN des Clients kann der Server noch Daten senden.

⚠️ SYN-Flood-Angriff: Angreifer senden massenhaft SYN-Pakete, ohne je ACK zu antworten. Der Server blockiert Ressourcen in SYN_RECEIVED. Schutz: SYN-Cookies.

Moderne Variante: TCP Fast Open (TFO) erlaubt das Mitsenden von Daten bereits im SYN-Paket, um die Latenz um eine Round-Trip-Time zu reduzieren.

⚖️ TCP vs. UDP

Neben TCP gibt es UDP (User Datagram Protocol) als zweites wichtiges Transportprotokoll. Beide haben ihre Berechtigung – je nach Anwendungsfall.

Merkmal	TCP	UDP
Verbindungstyp	Verbindungsorientiert	Verbindungslos
Zuverlässigkeit	✔ Garantiert	✗ Keine Garantie
Reihenfolge	✔ Garantiert	✗ Nicht garantiert
Fehlerkorrektur	✔ Retransmission	✗ Keine
Flusskontrolle	✔ Ja (Window)	✗ Nein
Overhead	Hoch (≥ 20 Byte Header)	Niedrig (8 Byte Header)
Geschwindigkeit	Langsamer	✔ Schneller
Handshake	Ja (3-Way)	Nein
Typische Nutzung	HTTP, E-Mail, FTP, SSH	Video-Streaming, DNS, VoIP, Gaming

💡 QUIC (HTTP/3) kombiniert das Beste aus beiden Welten: Schnelligkeit wie UDP, aber mit eigener Zuverlässigkeit – und läuft über UDP.

📜 Geschichte des TCP

1974

Erste Spezifikation

Vint Cerf und Bob Kahn veröffentlichen „A Protocol for Packet Network Intercommunication" – die Grundlage von TCP/IP.

1981

RFC 793 – TCP-Standard

TCP wird als offizieller Internet-Standard verabschiedet. Dieser RFC ist noch heute gültig.

1983

ARPANET wechselt zu TCP/IP

Am 1. Januar 1983 (Flag Day) stellt das ARPANET komplett auf TCP/IP um – das moderne Internet entsteht.

1988

Staukontrolle

Van Jacobson führt TCP-Staukontrolle ein (Slow Start, Congestion Avoidance) nach mehreren Netz-Zusammenbrüchen.

2022

HTTP/3 & QUIC

HTTP/3 wird standardisiert (RFC 9114). Es läuft über QUIC statt TCP – eine neue Ära der Transportprotokolle beginnt.

🌍 TCP in der Praxis

TCP ist das Rückgrat des Internets. Fast alle Anwendungen, bei denen Datenverlust inakzeptabel ist, nutzen TCP:

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HTTP / HTTPS

Webseiten werden über TCP geladen. Port 80 (HTTP) und 443 (HTTPS).

📧

E-Mail

SMTP (Port 25/587), IMAP (143), POP3 (110) – alle über TCP.

🔐

SSH

Sichere Remote-Verbindungen über Port 22. Jedes Byte muss ankommen.

📁

FTP

Dateiübertragung über Port 21 (Steuerung) und 20 (Daten).

🗄️

Datenbanken

MySQL (3306), PostgreSQL (5432) – Datenintegrität ist kritisch.

💬

Chat / API

REST-APIs, WebSockets – zuverlässige bidirektionale Kommunikation.